Tính thiết kế hệ thống sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt để sấy nguyên liệu thủy sản năng suất 12 kg 1 mẻ

Trong công nghệ chế biến hàng thủy sản khô hiện nay ở nước ta, thiết bị còn thô sơ, vẫn còn những phương pháp thủ công như: phơi nóng hoặc sấy bằng không khí nóng từ khói lò than, các ph

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ

= = =

    = = =

HOÀNG QUANG HÒA

TÍNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY ĐỐI LƯU KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT ĐỂ SẤY NGUYÊN LIỆU THỦY SẢN NĂNG SUẤT 12 KG/MẺ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

Nha Trang - 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ

= = =

    = = =

HOÀNG QUANG HÒA

TÍNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY ĐỐI LƯU KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT ĐỂ SẤY NGUYÊN LIỆU THỦY SẢN NĂNG SUẤT 12 KG/MẺ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

GVHD: TS TRẦN ĐẠI TIẾN

Nha Trang - 2013

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh

Tên đồ án tốt nghiệp: “Tính toán thiết kế hệ thống sấy đối lưu kết hợp với bơm

nhiệt để sấy nguyên liệu thủy sản năng suất 12kg/mẻ”

Ý KIẾN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận:

TS.Trần Đại Tiến

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh

Tên đồ án tốt nghiệp: “Tính toán thiết kế hệ thống sấy đối lưu kết hợp với bơm

nhiệt để sấy nguyên liệu thủy sản năng suất 12kg/mẻ”

Ý KIẾN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Kết luận:

Nha Trang, ngày… tháng… năm 2013

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

LỜI CẢM ƠN

Học tập là một quá trình lâu dài, mỗi giai đoạn đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành tri thức một con người Từ những ngày bước chân vào giảng đường đại học cho đến lúc hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự quan tâm chỉ dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô

Qua quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Ban giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí

cũng như các Thầy, Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt Lạnh đã tạo mọi điều kiện

cho em có kết quả học tập tốt và hoàn thành đề tài này

Đặc biệt em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Trần Đại Tiến đã trực

tiếp theo dõi, tận tình hướng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu, cung cấp cho em những tài liệu cần thiết và hữu ích cho quá trình nghiên cứu để em có thể thực hiện đề tài hoàn chỉnh về mặt nội dung

và hoàn thành trong thời gian quy định

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tới gia đình và những người bạn của

em những người đã luôn giúp đỡ, động viên em hoàn thành tốt đề tài này

Tuy nhiên, quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Mong nhận được sự chỉ bảo của quý Thầy Cô và góp ý của các bạn

Nha Trang, tháng 06 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Hoàng Quang Hòa

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SẤY ĐỐI LƯU KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT 2

1.1 SƠ LƯỢC VỀ KỸ THUẬT SẤY 2

1.1.1 Khái niệm 2

1.1.2 Phân loại phương pháp sấy 2

1.1.2.1 Phương pháp sấy nóng 2

1.1.2.2 Phương pháp sấy lạnh 3

1.1.3 Cơ chế thoát ẩm ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy 4

1.1.3.1 Quá trình khuếch tán nội 5

1.1.3.2 Quá trình khuếch tán ngoại 6

1.1.3.3 Mối quan hệ giữa quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại 6

1.1.4 Các giai đoạn trong quá trình sấy 7

1.1.4.1 Giai đoạn làm nóng vật 7

1.1.4.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc 7

1.1.4.3 Giai đoạn sấy giảm tốc 8

1.1.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ làm khô 8

1.1.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí 8

1.1.5.2 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối không khí 8

1.1.5.3 Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí 9

1.1.5.4 Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu 9

1.1.5.5 Ảnh hưởng của việc ủ ẩm 10

1.1.5.6 Ảnh hưởng của bản thân nguyên liệu 10

1.1.6 Các phương pháp xác định thời gian sấy 10

1.2 TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP SẤY ĐỐI LƯU KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT .12

1.2.1 Phân loại hệ thống sấy đối lưu 12

1.2.1.1 Phương pháp sấy dạng phòng 12

1.2.1.2 Phương pháp sấy đường hầm 13

1.2.1.3 Phương pháp sấy thùng quay 14

1.2.1.4 Phương pháp sấy phun 15

1.2.1.5 Phương pháp sấy tầng sôi 16

1.2.1.6 Phương pháp sấy bằng băng tải 17

1.2.2 Phương pháp sấy bằng điện trở 18

1.2.3 Phương pháp sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt 19

1.2.3.1 Khái quát về bơm nhiệt 19

1.2.3.2 Nguyên lí hoạt động 21

1.2.3.3 Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt 23

1.2.3.4 Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân 25

1.2.3.5 Các phương pháp sấy bơm nhiệt 25

CHƯƠNG II: CHỌN CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU, PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH KÍCH THƯỚC PHÒNG SẤY 33

2.1 CHỌN CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU .33

2.1.1 Chọn phương pháp sấy 33

2.1.2 Chọn dạng hệ thống sấy 34

2.1.3 Chọn chế độ sấy 34

2.2 TÍNH KÍCH THƯỚC HỆ THỐNG SẤY 36

2.2.1 Tính khối lượng vật liệu sấy vào và ra 36

2.2.2 Lượng ẩm cần bốc hơi 37

2.2.3 Xác định các thông số không khí ngoài trời 37

2.2.4 Xác định entanpy của TNS trước quá trình sấy 38

2.4 Tính toán nhiệt và chọn các thiết bị cho thiết bị sấy 42

CHƯƠNG III: CHỌN SƠ ĐỒ TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG VÀ TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG 47

3.1 Tính chọn các thiết bị 47

3.1.1 Tính chọn máy nén lạnh của bơm nhiệt cho thiết bị sấy 47

3.1.2 Tính chọn dàn ngưng tụ (dàn nóng hay Calorifer) 49

3.1.3 Tính chọn dàn lạnh 51

3.1.4 Tính chọn thiết bị tiết lưu 52

3.1.5 Tính chọn dàn điện trở 53

3.1.6 Tính chọn quạt gió 53

CHƯƠNG IV: TRANG BỊ TỰ ĐỘNG HÓA VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG SẤY 55

4.1 Trang bị tự động hóa và vận hành hệ thống sấy 55

4.1.1 Vận hành ở phương pháp sấy lạnh

4.1.2 Vận hành ở phương pháp sấy nóng 56

4.2 Tính kiểm tra nhiệt tải của thiết bị cho các chế độ sấy khác 57

4.2.1 Tính toán kiểm tra nhiệt tải ở phương pháp sấy nóng bằng bơm nhiệt 58

4.2.2 Tính toán kiểm tra nhiệt tải ở phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt 61

4.3 Lắp đặt hệ thống 62

CHƯƠNG V: THỬ NGHIỆM SẤY MỘT SẢN PHẨM TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA SẢN PHẨM 64

5.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 64

5.2 Các phương pháp đánh giá

5.3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 66

5.4 Tính giá thành cho 1 kg sản phẩm sấy 70

5.5 Dự toán chi phí thiết bị 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh sấy lạnh với các hệ thống sấy khác 27

Bảng 2.1 Thực nghiệm sấy tôm 35

Bảng 2.2 Thông số các điểm trên đồ thị i- d của quá trình sấy lý thuyết 39

Bảng 3.1 Bảng thông số các điểm nút của chu trình 48

Bảng 3.2 Tổn thất áp suất qua các thiết bị của hệ thống sấy 54

Bảng 4.1 Nhiệt cho dàn nóng theo vận tốc gió và nhiệt độ; kw 58

Bảng 4.2 Nhiệt bổ sung của dàn điện trở theo vận tốc gió và nhiệt độ; kw 58

Bảng 4.3 Năng lượng tiêu hao theo vận tốc gió và nhiệt độ; kw 60

Bảng 4.4 Nhiệt tiêu hao cho dàn điện trở theo vận tốc gió và nhiệt độ; kw 61

Bảng 4.5 Nhiệt điện trở cần bổ sung cho các chế độ sấy lạnh 62

Bảng 5.1 Biến đổi TGS, điểm CLCQ, tỷ lệ HNPH… của cá cơm săng khô theo vận tốc gió 67

Bảng 5.2 So sánh chất lượng và năng lượng của cá cơm săng khô theo các phương pháp sấy 69

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ sấy đối lưu dạng phòng 12

Hình 1.2 Sơ đồ sấy đối lưu dạng đường hầm 13

Hình 1.3 Sơ đồ phương pháp sấy thùng quay 15

Hình 1.4 Sơ đồ phương pháp sấy phun 15

Hình 1.5 Sơ đồ phương pháp tầng sôi 16

Hình 1.6 Sơ đồ thiết bị sấy băng tải 17

Hình 1.7a Sơ đồ thiết bị 19

Hình 1.7b Sơ đồ dòng năng lượng 19

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phương pháp sấy kín bằng bơm nhiệt (sấy lạnh) 26

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phương pháp sấy nóng bằng bơm nhiệt 28

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý làm việc sấy nóng bằng bơm nhiệt kết hợp với điện trở 28

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt 29

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý làm việc thiết bị sấy tổng hợp bằng bơm nhiệt 30

Hình 1.13 Đồ thị I- d về biến đổi trạng thái không khí ẩm trong quá trình sấy lạnh 31

Hình 1.14 Đồ thị I- d về biến đổi trạng thái không khí ẩm trong quá trình sấy nóng 32

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu bằng bơm nhiệt 34

Hình 2.2 Đồ thị đường cong sấy 35

Hình 2.3 Đồ thị đường cong tốc độ sấy 36

Hình 2.4 Quá trình biến đổi của không khí ẩm trên đồ thị I – d 38

Hình 2.5 Sơ đồ và kích thước giá đỡ nguyên liệu sấy 40

Hình 2.6 Kích thước buồng sấy 42

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy đối lưu bằng không khí nóng 43

Hình 2.8 Quá trình thay đổi trạng thái của không khí ẩm trên đồ thị I- d 43

Hình 3.1 Sơ đồ chu trình bơm nhiệt và biến đổi trạng thái môi chất lạnh trên đồ thị p- i 47

Hình 3.2 Sự phân bố nhiệt độ của môi chất lạnh và không khí trên thiết bị ngưng tụ 50

Hình 3.3 Sự phân bố nhiệt độ của môi chất lạnh và không khí trên thiết bị bay hơi 51

Hình 3.4 Sơ đồ cân chỉnh ống mao 52

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị sấy 55

Hình 4.2 Sơ đồ điện động lực và điều khiển cho thiết bị sấy 57

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy với tiết diện phòng sấy thu hẹp 59

Hình 4.4 Giá đỡ nguyên liệu sấy khi tiết diện phòng sấy thu hẹp 60

Hình 4.5 Kích thước và vị trí các thiết bị trong hệ thống sấy 63

Hình 5.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 65

Hình 5.2 Biến đổi TGS, điểm CLCQ, tỷ lệ HNPH của cá cơm săng khô theo vận tốc gió 68

Hình 5.3 Biến đổi TGS, điểm CLCQ, tỷ lệ HNPH… của cá cơm săng khô theo các phương pháp sấy 70

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam có một vị trí thuận lợi, nằm trong khu vực nhiệt đới với dải bờ biển dài cùng với hệ thống sông ngòi dày đặc nên số lượng thủy sản rất đa dạng và phong phú Để đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng trong nước cũng như xuất khẩu ra thị trường nước ngoài với yêu cầu đảm bảo chất lượng vệ sinh an toàn, nâng cao năng suất thì cần phải đổi mới công nghệ sản xuất để nâng cao giá trị kinh tế

Trong công nghệ chế biến hàng thủy sản khô hiện nay ở nước ta, thiết bị còn thô sơ, vẫn còn những phương pháp thủ công như: phơi nóng hoặc sấy bằng không khí nóng từ khói lò than, các phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, thời gian sấy kéo dài làm giảm giá trị kinh tế, chất lượng sản phẩm, tỷ lệ hao hụt lớn, vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm không đảm bảo

Từ nhừng yêu cầu thực tiễn nói trên nên tôi đã chọn đề tài tốt nghiệp: “Tính toán, thiết kế hệ thống sấy kết hợp với bơm nhiệt để sấy nguyên liệu thủy sản năng suất 12kg nguyên liệu/mẻ” Nhằm mục đích tiết kiệm thời gian, năng lượng,

nâng cao chất lượng, giá trị sử dụng và giá trị kinh tế

Nội dung chính của đề tài bao gồm:

Chương I: Tổng quan về phương pháp sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt Chương II: Chọn các thông số ban đầu, chọn phương án thiết kế và tính kích thước buồng sấy

Chương III: Chọn sơ đồ tổng thể của hệ thống, tính chọn các thiết bị cho hệ thống Chương IV: Trang bị tự động hóa, lắp đặt, vận hành hệ thống sấy

Chương V: Thử nghiệm sấy một sản phẩm Tính sơ bộ giá thành của sản phẩm Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, đến nay tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp này Do khả năng, trình độ và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu xót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để tôi có được những kiến thức bổ ích làm hành trang bước vào đời

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SẤY ĐỐI

LƯU KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT

1.1 SƠ LƯỢC VỀ KỸ THUẬT SẤY

1.1.1 Khái niệm

Quá trình sấy là quá trình làm khô một vậy thể bằng phương pháp bay hơi Đối tượng của quá trình sấy là các vật ẩm, là những vật thể có chứa một lượng chất lỏng nhất định Chất lỏng chứa trong vật ẩm thường là nước một số ít vật ẩm chứa chất lỏng khác là dung môi hữu cơ Như vậy muốn sấy khô một vật ta phải tiến hành các biện pháp kỹ thuật sau:

- Cấp nhiệt cho vật ẩm trong vật hóa hơi

- Lấy hơi ẩm ra khỏi vật ẩm và thải vào môi trường

1.1.2 Phân loại phương pháp sấy

Tóm lại, nhờ đốt nóng hoặc cả tác nhân sấy lẫn vật liệu sấy hoặc chỉ đốt nóng vật liệu sấy mà hiệu số giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật pab và phân

áp suất hơi nước trong tác nhân sấy pam tăng dẫn đến qua trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường

Do đó, hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấp nhiệt:

Hệ thống sấy đối lưu: Trong hệ thống sấy này, vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò

Hệ thống sấy tiếp xúc: Trong hệ thống sấy tiếp xúc, vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng Như vậy, trong hệ thống sấy tiếp xúc người ta tạo ra độ chênh phân áp suất nhờ tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy Trong số này chúng ta thường gặp hệ thống sấy lô, hệ thống sấy tầng…

Hệ thống sấy bức xạ: Trong hệ thống bức xạ, vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để ẩm dịch chuyển từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt khuếch tán vào môi trường Như vậy, hệ thống sấy bức xạ người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường chỉ bằng cách đốt nóng vật

Các hệ thống sấy khác: Ngoài hệ thống sấy trên, trong các hệ thống sấy nóng còn có các hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường để đốt nóng vật Trong các hệ thống sấy này, khi vật liệu sấy đặt trong một trường điện từ thì trong vật xuất hiện các dòng điện và chính dòng điện này đốt nóng vật Như vậy, cũng như các hệ thống sấy bức xạ và hệ thống sấy tiếp xúc, các

hệ thống loại này cũng chỉ tạo ra độ chênh phân áp suất giữa vật liệu sấy và môi trường bằng cách đốt nóng vật

1.1.2.2 Phương pháp sấy lạnh

- Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t > 00C:

Đối với những phương pháp sấy lạnh mà nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt

độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường Tác nhân sấy thường là không khí trước hết khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các phương pháp khử ẩm hấp thụ và sau đó lại được đốt nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ mà công nghệ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu Khi đó, do phần áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn

áp suất phần hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy mà ẩm từ dạng lỏng bay hơi đi vào tác nhân sấy

Trong các loại phương pháp sấy này hoàn toàn giống như trong các phương pháp sấy nóng khác Điều khác ở đây là cách giảm phần áp suất hơi pam trong tác nhân sấy Chẳng hạn trong các phương pháp sấy nóng đối lưu người ta giảm pam

bằng cách đốt nóng để tăng áp suất bão hòa dẫn đến giảm độ ẩm tương đối φ Trong khi đó, với các phương pháp sấy lạnh có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độ môi trường chẳng hạn, người ta lại tìm cách giảm áp suất hơi nước của tác nhân sấy pamgiảm Lượng nước chứa trong không khí được tách qua dàn lạnh

- Hệ thống sấy thăng hoa:

Phương pháp sấy lạnh mà trong đó ẩm trong vật liệu sấy ở dạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào tác nhân sấy thường gọi là sấy thăng hoa Phương pháp thăng hoa, người ta tạo ra môi trường trong đó nước trong vật liệu sấy ở dưới điểm băng, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu T < 2730K và áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p <

610 Pa Khi đó, nếu vật liệu sấy nhận nhiệt lượng thì nước trong vật ở dạng rắn sẽ chuyển trực tiếp thành hơi nước và đi vào tác nhân sấy Như vậy, trong hệ thống sấy thăng hoa một mặt ta phải làm lạnh vật xuống dưới 00C và tạo chân không xung quanh vật liệu sấy

- Hệ thống sấy chân không:

Nếu nhiệt độ của vật liệu sấy vẫn nhỏ hơn 2730K nhưng áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p < 610 Pa thì khi vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước ở thể rắn không trực tiếp thành hơi để đi vào tác nhân sấy mà trước khi biến thành hơi đi vào môi trường nước ở thể rắn phải chuyển qua thể lỏng

Do tính phức tạp và không kinh tế phương pháp chân không và phương pháp thăng hoa cũng như phương pháp sấy lạnh nói chung chỉ được dùng để sấy vật liệu quý hiếm không chịu được nhiệt độ cao, sấy những mặt hàng chất lượng cao Vì vậy các phương pháp này không phổ biến

1.1.3 Cơ chế thoát ẩm ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy

Dưới sự ảnh hưởng của các nhân tố lý học như: hấp thụ nhiệt, khuếch tán, bay hơi làm cho nước trong nguyên liệu tác ra ngoài là làm khô Đó là một quá trình rất phức tạp, nếu quá trình cung cấp nhiệt dừng lại thì quá trình làm khô sẽ dừng lại

Do đó suốt quá trình làm khô thì vật liệu phải được cung cấp một nhiệt lượng nhất định để vật liệu có được một nhiệt độ cần thiết

Nhiệt lượng cần cung cấp cho vật liệu được tính bằng 3 phương pháp: bức

xạ, truyền nhiệt và đối lưu

Sự cân bằng nhiệt khi làm khô được hiển thị:

Q = q1+q2+q3+q4+q5Trong đó:

Q: là tổng nhiệt lượng cung cấp cho nguyên liệu

q1: nhiệt lượng làm cho các phần tử hơi nước và hơi nước tách ra khỏi nguyên liệu

q2: năng lượng để cắt đứt mối liên kết giữa nước, phân tử protid trong nguyên liệu

q3: năng lượng dùng để làm khô tổ chức tế bào

q4: năng lượng dùng để làm nóng các dụng cụ khi sấy

q5: năng lượng tổn thất qua môi trường

1.1.3.1 Quá trình khuếch tán nội

Quá trình khuếch tán nội là quá trình chuyển dịch ẩm từ các lớp bên trong ra lớp bề mặt của vật ẩm Động lực của quá trình này là do sự chênh lệch nồng độ ẩm giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt Ngoài ra quá trình khuếch tán nội còn diễn ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt Qua nghiên cứu ta thấy rằng ẩm dịch chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Vì vậy, tùy thuộc vào phương pháp sấy và thiết bị sấy mà dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nồng độ ẩm và dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nhiệt độ có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với nhau

Ta có thể biểu thị tốc độ khuếch tán nội bằng phương trình sau:

Trong đó: W – lượng nước khuếch tán, kg;

dt – thời gian khuếch tán, giờ;

F – diện tích bề mặt khuếch tán, m2;

k – hệ số khuếch tán;

– gradien độ ẩm

Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển cùng chiều với nhau sẽ làm thúc đẩy quá trình thoát ẩm, rút ngắn thời gian sấy Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển ngược chiều nhau sẽ kìm hãm sự thoát ẩm, kéo dài thời gian sấy

1.1.3.2 Quá trình khuếch tán ngoại

Sự định kỳ chuyển hơi nước trên bề mặt nguyên liệu vào không khí gọi là quá trình khuếch tán ngoại Lượng nước bay hơi trong khuếch tán ngoại thực hiện dưới điều kiện áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu (E) lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí (e)

Lượng nước bay hơi trong quá trình khuếch tán ngoại thực hiện được dưới điều kiện áp suất hơi nước bão hòa (E) lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí (e) Sự chênh lệch đó là Lượng hơi nước bay hơi tỷ lệ thuận với , với bề mặt bay hơi và thời gian làm khô:

Tốc độ bay hơi nước được biểu diễn như sau:

Trong đó: W –lượng nước bay hơi, kg

F – diện tích bề mặt bay hơi, m2

dt – thời gian bay hơi, giờ

B – hệ số bay hơi

1.1.3.3 Mối quan hệ giữa quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại

Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, quá trình khuếch tán nội là động lực của quá trình khuếch tán ngoại và ngược lại Tức là khi quá trình khuếch tán ngoại được tiến hành thì quá trình khuếch tán nội mới có thể được tiếp tục và như thế độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần Tuy nhiên trong quá trình sấy ta phải làm sao cho hai quá trình này ngang bằng nhau, tránh trường hợp khuếch tán ngoại lớn hơn khuếch tán nội Vì khi đó sẽ làm cho sự bay hơi ở bề mặt diễn ra mãnh liệt làm cho bề mặt của sản phẩm bị khô cứng, hạn chế

sự thoát ẩm Khi xảy ra hiện tượng đó ta khắc phục bằng cách sấy gián đoạn (quá trình ủ ẩm) mục đích là để thúc đẩy quá trình khuếch tán nội

1.1.4 Các giai đoạn trong quá trình sấy

Nếu chế độ sấy tương đối dịu, tức là nhiệt độ và vận tốc chuyển động của không khí không lớn, đồng thời vật có độ ẩm tương đối cao, thì quá trình sấy sẽ xảy

ra theo ba giai đoạn: giai đoạn làm nóng vật, giai đoaạn sấy tốc độ không đổi và giai đoạn sấy tốc độ giảm dần

và phần trong vật Vùng trong vật đạt tới nhiệt độ nhiệt độ nhiệt kế ướt chậm hơn

1.1.4.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc

Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ của tác nhân sấy bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hóa hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để làm hóa hơi nước Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi Do nhiệt độ không khí của tác nhân sấy không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trường cũng không đổi Do vận tốc bay hơi ẩm của vật cũng không đổi Điều này sẽ làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm của vật theo thời gian đổi không đổi, nghĩa là tốc độ sấy không đổi =const

Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi biến thiên của nhiệt độ chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính Ẩm được thoát ra trong giai đoạn này là ẩm tự do

Khi độ ẩm của vật đạt tới trị số tới hạn uk = ucbmax thì giai đoạn sấy tốc độ không đổi chấm dứt Đồng thời cũng là chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm

1.1.4.3 Giai đoạn sấy giảm tốc

Ở giai đoạn sấy này thì lượng nước còn lại trong nguyên liệu ít và chủ yếu là nước lien kết do đó năng lượng lien kết lớn Vì vậy, việc tách ẩm cũng khó khăn hơn và cần năng lượng lớn hơn nên đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy thường có dạng cong Tuy nhiên, hình dạng của đường cong là phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm trong vật liệu và tùy thuộc vào dạng vật liệu sấy

Độ ẩm của vật liệu cuối quá trình sấy tùy thuộc vào độ ẩm của môi trường không khí xung quanh

1.1.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ làm khô

1.1.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí

Việc tăng cao nhiệt độ không khí sẽ tăng nhanh tốc độ làm khô

Lượng nước trong nguyên liệu giảm xuống ở nhiệt độ sấy càng cao, như vậy

ở nhiệt độ cao tốc độ làm khô sẽ nhanh hơn Nhiệt độ sấy phải ở giới hạn cho phép

vì nhiệt độ làm khô cao sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, dễ làm cho thịt

cá bị sấy chin và gây nên sự tạo màng cứng ở lớp ngoài cản trở sự di chuyển của nước từ trong ra

Nếu nhiệt độ làm khô quá thấp, dưới giới hạn cho phép thì quá trình làm khô

sẽ chậm lại dẫn tới sự thối rữa, hủy hoại thịt cá Đối với nguyên liệu gầy, người ta làm khô cao hơn nguyên liệu béo

Quá trình làm khô tiến triển, sự cân bằng của tốc độ khuếch tán nội và khuếch tán ngoại bị phá vỡ, tốc độ khuếch tán ngoại lớn nhưng tốc độ khuếch tán nội chậm dẫn đến hiện tượng tạo vỏ cứng ảnh hưởng tới quá trình làm khô

1.1.5.2 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối không khí

Độ ẩm tương đối của không khí cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khô Theo kinh nghiệm thì: độ ẩm tương đối của không khí lớn hơn 65% thì quá trình làm khô sẽ chậm lại rõ rệt, còn độ ẩm tương đối 80% thì quá trình làm khô dừng lại và bắt đầu xảy ra hiện tượng ngược lại, tức là nguyên liệu sẽ hút ẩm

Độ ẩm của không khí tốt nhất để làm khô trong giới hạn 50 ÷ 70% Độ ẩm quá nhỏ cũng không tăng được tốc độ sấy vì tốc độ làm khô phụ thuộc nhiều vào sự khuếch tán nội của nước trong nguyên liệu

Làm khô trong nhiệt độ tự nhiên khó đạt được độ ẩm tương đối của không khí 50 ÷ 60% Một trong những phương pháp để nâng cao độ khô của không khí có thể tiến hành làm lạnh để cho hơi nước ngưng tụ lại Hạ thấp nhiệt độ của không khí tới điểm sương, nước sẽ ngưng tụ đồng thời hàm ẩm tuyệt đối của không khí cũng được hạ thấp Như vậy để làm khô không khí người ta thường dùng phương pháp làm lạnh

1.1.5.3 Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí

Tốc độ chuyển động của không khí có ảnh hưởng lớn đến quá trình làm khô, tốc độ không khí quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi trong quá trình sấy

Nếu tốc độ quá lớn sẽ làm bay sản phẩm hay khó giữ được nhiệt lượng trên nguyên liệu để cân bằng quá trình sấy, còn tốc độ quá nhỏ làm cho quá trình sấy lâu, dẫn đến sự hư hỏng sản phẩm, mặt ngoài sản phẩm sẽ lên mốc gây thối rữa tạo thành lớp dịch nhầy có màu sắc và mùi vị khó chịu Vì vậy cần phải có một tốc độ gió thích hợp, nhất là giai đoạn đầu của quá trình làm khô

Tốc độ khô nhỏ nhất khi làm khô ở nhiệt độ thấp khoảng 0,4 m/s, đối với cá miếng thường áp dụng với tốc độ gió trong giới hạn từ 0,4 ÷ 0,6 m/s, đối với cá gầy

có thể đến 1 ÷ 1,5 m/s, khi làm khô cá béo thì tốc độ làm khô nhỏ hơn cá gầy

Ngoài ra hướng gió cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy Hướng gió song song với nguyên liệu thì tốc độ làm khô nhanh nhất, hướng nghiêng với bề mặt nguyên liệu 450 tốc độ làm khô giảm dần, hướng gió thẳng góc với nguyên liệu tốc độ làm khô chậm nhất

1.1.5.4 Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu

Nói chung nguyên liệu càng bé, càng mỏng thì tốc độ sấy càng nhanh Như

đã nói ở trên cả hai quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại đều tỉ lệ thuận với diện tích bề mặt của nguyên liệu Khi vật có bề mặt hơi nước lớn thì nước trong nguyên liệu càng dễ bay hơi, vật liệu càng nhanh khô

Trong những điều kiện khác như nhau thì tốc độ sấy tỷ lệ thuận với diện tích

bề mặt S, và tỷ lệ nghịch với chiều dày của nguyên liệu :

Trong đó: S – diện tích bề mặt bay hơi của nguyên liệu

– chiều dày của nguyên liệu

B – hệ số bay hơi đặc trưng cho bề mặt nguyên liệu

Khi làm khô cá to, muốn cho nhanh chóng thì ta phải cắt, mổ phân chia nhỏ

ra Dựa vào thời hạn bảo quản sản phẩm để chọn phương pháp cắt mổ cho phù hợp Muốn bảo quản cá khô được lâu khi mổ phải giữ lại da và vẩy để làm chậm sự xâm nhập của nấm mốc và giữ cho thịt cá khô khó hút ẩm

1.1.5.5 Ảnh hưởng của việc ủ ẩm

Ủ ẩm là công đoạn tiếp theo của bán thành phẩm, sau khi đã sấy khô một thời gian Vì vậy ủ ẩm là mục đích của quá trình sấy khô gián đoạn để đảm bảo sự

di chuyển của nước trong sản phẩm ra bề mặt được đều hơn, rút ngắn được thời gian sấy khô Nhưng quá trình ủ ẩm phải ở một thời gian nhất định và thời gian sấy khô ban đầu cũng không được quá ngắn hoặc quá dài Nếu thời gian sấy quá ngắn thì bề mặt ngoài của nguyên liệu chưa khô nên khi ủ ẩm sẽ làm cho bề mặt ngoài của bán thành phẩm xảy ra hiện tượng sinh ra chất nhớt Ngược lại thời gian sấy quá lâu thì bề mặt nguyên liệu quá khô sẽ ảnh hưởng tới thời gian ủ ẩm, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Vì vậy phải chú ý đến chế độ sấy khô gián đoạn cho thích hợp với từng loại nguyên liệu

1.1.5.6 Ảnh hưởng của bản thân nguyên liệu

Nguyên liệu đưa vào làm khô cần phải xét đến thành phần hóa học như: nước, mỡ, protit, chất khoáng, kết cấu tổ chức rắn hay lỏng lẻo… Cá tươi hay ươn, mặn hay nhạt…Căn cứ vào các yếu tố đó ta chọn chế độ làm khô cho thích hợp

Cá được cắt mổ, loại cá nhỏ sẽ được làm khô nhanh nhưng quan trọng ở đây

là tỉ lệ càng lớn thì quá trình làm khô sẽ càng nhanh, bề mặt nguyên liệu nhẵn và sáng thì tốc độ khô sẽ nhanh

1.1.6 Các phương pháp xác định thời gian sấy

Thời gian sấy là một thông số quan trọng, được sử dụng trong thiết kế và vận hành thiết bị sấy Thời gian sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại vật liệu sấy, hình dạng kích thước hình học, độ ẩm đầu và cuối vật liệu sấy, phương pháp cung

cấp nhiệt, chế độ sấy và một số yêu cầu khác Chính vì sự phụ thuộc vào nhiều yếu

tố nên việc xác địnht hời gian sấy là rất khó Trong tính toán thực tế thiết bị sấy ta thường xác định thời gian sấy theo thực nghiệm và kinh nghiệm vận hành Tuy nhiên trong nghiên cứu tính toán thiết kế các hệ thống sấy mới, sấy các loại nguyên liệu mới khi chưa có kinh nghiệm người ta phải dựa vào lý thuyết giải tích hoặc nửa giải tích nửa thực nghiệm để tính toán thời gian sấy

Một số phương pháp xác định thời gian sấy đã được ứng dụng trong tính toán thiết kế có kết quả tương đối phù hợp với thực tế như phương pháp của Lưcôp, Philônhenkô, Đôcuchaep Đối với mỗi phương pháp có những cách tính khác nhau

và để xác định được thời gian sấy ta phải biết được những thông số khác nhau

Ví dụ đối với phương pháp của Lưcôp thời gian sấy được xác định theo công thức:

] ) ln(

1 [

ωω

ωωτ

Chính vì lí do đó khi tính toán thiết kế hệ thống sấy việc xác định thời gian sấy khó khăn nên ta thường chọn theo thực nghiệm và dựa vào tính chất của vật liệu

Từ phần khái quát trên về các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình làm khô nguyên liệu đề tài đi sâu vào nghiên cứu chế tạo thiết bị sấy tổng hợp có thể sấy nóng hoặc sấy lạnh và điều chỉnh được các chế độ sấy:

SV: van điện từ cấp hơi nước bão hòa

Ưu điểm: năng suất cao, cấu tạo đơn giản, nhiệt độ sấy tương đối đồng đều

Nhược điểm: nguyên liệu sấy đứng yên nên chất lượng sấy chưa được đồng

đều, nên sau một thời gian sấy phải đảo trộn

Ứng dụng: sấy các nguyên liệu thủy sản, nông sản

1.2.1.2 Phương pháp sấy đường hầm

d c

Hình 1.2 Sơ đồ sấy đối lưu dạng đường hầm

Chú thích

Hầm sấy ; 2 Xe goòng; 3 Tời kéo xe; 4 Cửa hầm sấy; 5 Quạt gió;

6 Calorifer; 7, 8 Ống dẫn không khí vào và ra

Cấu tạo hầm sấy đơn giản Thường có một hoặc hai hầm sấy 1 đặt song song Vật liệu sấy xếp trên các goòng xe 2 di chuyển chậm nhờ tời 3 Sau một thời gian nhất định thì xe goòng có vật liệu khô sẽ ra ở cửa 4c còn cửa đầu kia 4d cũng có số

xe goòng như vậy chứa vật liệu ẩm đi vào hầm sấy Trong thời gian sấy cửa 4c và 4d đóng chặt kín Tác nhân sấy nhờ quạt số 5 đẩy không khí đi ngược chiều với chuyển động của vật liệu

Tác nhân sấy thường là không khí và được đốt nóng bởi caloriphe 6 rồi vào phòng sấy cùng chiều với chiều chuyển động của vật liệu sấy Nếu muốn sấy ngược chiều thì cho xe goòng vào ở cửa 4c và ra 4d

Hầm sấy thường có chiều dài 30–40m hoặc có khi tới 60 m nhưng không dài hơn nữa vì như vậy tổn thất áp suất của hệ thống sấy sẽ tăng lên nhiều, không khí nóng sẽ phân tầng

Loại thiết bị này làm việc ở áp suất khí quyển Vật liệu sấy thường được xếp trên các giá của xe goòng, di chuyển chậm dọc theo một hầm dài

Nhược điểm

+ Sản phẩm sấy không đều do sự phân lớp không khí nóng theo chiều cao của hầm sấy và vật liệu không được đảo trộn

+ Mất nhiều nhiệt, chiếm mặt bằng lớn

Vận tốc tác nhân sấy thường vào khoảng 2 ÷3 m/s Thiết bị thường được ứng dụng sấy các nguyên liệu là nông sản Trước đây có sấy nguyên liệu thủy sản nhưng sản phẩm chất lượng kém nên ngày nay ít sử dụng

1.2.1.3 Phương pháp sấy thùng quay

Cấu tạo: gồm thùng hình trụ 1 đặt dốc khoảng 6÷8 độ so với mặt phẳng nằm ngang Có 2 vành đai trượt trên các con lăn tựa 4 khi thùng quay Khoảng cách giữa các con lăn có thể điều chỉnh được, để thay đổi góc nghiêng của thùng Thùng quay được nhờ lắp chặt trên thân thùng, bánh răng 2 ăn khớp với bánh răng 3 nối với môtơ thông qua hộp giảm tốc Thùng quay với vận tốc khoảng từ 1÷8 vòng/phút Bánh răng đặt tại trọng tâm của thùng

Máy sấy thùng quay làm việc ở áp suất khí quyển Tác nhân sấy có thể là không khí hay khói lò Vật liệu sấy và tác nhân sấy thường chuyển động cùng chiều

để tránh sấy quá khô và tác nhân sấy khỏi mang theo vật liệu sấy nhiều như sấy ngược chiều Vận tốc của không khí hay khói lò đi trong thùng khoảng 2 ÷3 m/s

Vật liệu ẩm qua phểu 10 rồi vào thùng ở đầu cao và được chuyển động trong thùng nhờ những đệm chắn 11 Đệm chắn vừa phân bố đều vật liệu theo tiết diện thùng, vừa xáo trộn vật liệu vừa làm cho vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy tốt hơn Vật liệu sấy sau khi sấy khô được đưa ra cửa 6 nhờ vít tải 7 đưa ra ngoài Còn khói lò hay không khí thải ra được cho qua xyclon 8 để giữ lại những hạt vật liệu bị kéo theo rồi thải ra ngoài Để tránh các khí thải chui qua các khe hở của máy sấy, làm ảnh hưởng đến sức khoẻ con người, đặt quạt hút 5 bổ sung cho sức hút của ống khói và tạo áp suất âm trong máy sấy

Máy sấy thùng quay được sử dụng rộng rải trong công nghiệp hoá chất, thực phẩm… để sấy một số hoá chất, quặng Pi- rít, phân đạm Trong thực phẩm sấy ngũ cốc, vật liệu dạng sệt…

Ưu điểm của máy sấy thùng quay:

+ Quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt, tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy tốt

+ Cường độ làm việc tính theo lượng ẩm khá cao có thể tới 100 kg/m3h

+ Thiết bị cấu tạo gọn, chiếm mặt bằng nhỏ

Nhược điểm:

Vật liệu dễ bị vỡ vụn, nhiệt lượng tiêu hao lớn

Chú ý:

+ Nếu sấy bằng khĩi lị thì dẫn khĩi lị vào máy bằng cửa 9

+ Đường kính thùng quay thường cĩ qui chuẩn ( D = 1,2; 1,4; 1,6m… tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính thùng khoảng : 3,5 ÷7)

Đệm chắn

Hình 1.3 Sơ đồ phương pháp sấy thùng quay

1.2.1.4 Phương pháp sấy phun

Cấu tạo

Gồm một thùng hình trụ 1 cĩ đáy nĩn Nắp trên cĩ đặt mơtơ 2 nối với đầu vịi phun 3 cĩ tốc độ quay rất lớn 2000 ÷6000 vịng/phút Caloriphe sưởi 4 để đốt

nĩng khơng khí Sản phẩm thu hồi ở xyclon 5, cịn khơng khí thải ra ngồi nhờ quạt 6

Hình 1.4 Sơ đồ phương pháp sấy phun

Thu hồi bụi

Không

khí vào

Khói lò Vật liệu sấy

Sản phẩm

Tác nhân sấy

1 Quạt

2 Phịng trộn

3 Phịng sấy

4 Lưới phân phối

5 Vít tải vật liệu sấy

Cho chất lỏng đi vào một dĩa quay nhanh khoảng 2000 ÷6000 v/phút, cĩ thể

phun huyền phù và chất lỏng nhớt thành bụi

+ Cơ khí : Chất lỏng được đẩy bằng bơm với áp lực 200 at để phun đều và

tạo tia nhỏ, các vịi phun cĩ đục nhiều lỗ nhỏ với đường kính 0,5 mm

Loại này khơng thuận tiện đối với dung dịch huyền phù và các dung dịch nhớt + Khí nén

Chất lỏng được đẩy bằng khơng khí nén với áp suất 2,5 – 6 at để phun thành

các hạt nhỏ

Trong 3 loại trên, thường dùng loại ly tâm vì nĩ cĩ hiệu quả cao nhất nhưng

cĩ nhược điểm là tiêu hao năng lượng nhiều nhất

Ứng dụng: Máy sấy phun được dùng để sấy các dung dịch như : bột cà phê,

VLS

1 Phểu nhận vật liệu sấy

2 Trục lăn dẫn vật liệu sấy

Quạt 1 đưa không khí vào trộn với khói lò (hay không khí + khói lò) ở phòng

2 rồi vào bên dưới phòng sấy 3, qua lưới phân phối 4 rồi tiến hành sấy vật liệu

Vật liệu cho vào phểu và nhờ vít tải 5 đưa vào phía trên buồng sấy Ở đây chúng gặp hỗn hợp khí nóng đi từ dưới lên và tạo thành tầng sôi Vật liệu khô được thổi qua tấm chắn 6 sang thùng chứa 7 rồi ra ngoài Còn những hạt nhỏ bị dòng khí

cuốn theo sẽ được thu hồi bởi xyclon 8

Tác nhân sấy có thể là không khí, khói lò hoặc không khí + khói lò

1.2.1.6 Phương pháp sấy bằng băng tải

Gồm một phòng hình chữ nhật, trong đó có một vài băng tải chuyển động chậm nhờ các tay quay Các băng này tựa trên các con lăn để khỏi bị võng xuống, băng này làm bằng sợi bông tẩm cao su, bằng kim loại hay lưới kim loại và chuyển động với tốc độ khoảng 0,3 ÷ 0.6 m/phút Loại thiết bị này có thể dùng để sấy rau quả, ngũ cốc …

Hình 1.6 Sơ đồ thiết bị sấy băng tải

Nguyên liệu thủy sản hay nông sản thường ở dạng dời và từ tổng quan trên cho thấy nên chọn thiết bị sấy đối lưu ở dạng phòng và có thể sấy lạnh hoặc sấy

nóng để đảm bảo chất lượng, cũng như tiết kiệm được năng lượng

1.2.2 Phương pháp sấy bằng điện trở

Sấy bằng điện trở là biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở) Từ dây đốt qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt năng được

truyền tới vật cần gia nhiệt

Trong buồng sấy điện trở dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năng Dây đốt cần phải được làm từ các vật liệu thỏa mãn các yêu cầu sau:

+ Khả năng chịu nhiệt tốt: không bị oxy hóa trong môi trường không khí ở nhiệt độ cao

+ Bền nhiệt cao, bền cơ học tốt, dây điện trở không biến dạng, chúng có thể

tự bền vững dưới tác dụng của bản thân dây điện trở

+ Điện trở suất lớn: tạo cho dây điện trở có cấu trúc nhẹ khi cùng đáp ứng một công suất theo yêu cầu, dễ dàng bố trí trong lò

+ Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (α;β): nghĩa là nhiệt độ càng cao thì điện trở càng lớn + Kích thước hình học phải ổn định: ít thay đổi hình dạng ở nhiệt độ làm việc + Các tính chất điện phải ổn định

+ Dễ gia công: kéo dây, dễ hàn, đối với vật liệu phi kim loại cần ép khuôn được

Để thỏa mãn được các yêu cầu trên, trong thực tế rất khó có vật liệu đáp ứng được Nhưng người ta đã chọn một số vật liệu đáp ứng được tốt các yêu cầu chính

để tạo ra dây điện trở Các vật liệu đó là của hợp kim Niken và Crôm, thường gọi là

“Micrôm” Hợp kim của Crôm và nhôm Cacbonrun [Sie] Trong buồng sấy nhiệt độ thấp, chế độ làm việc ngắn thì có thể dùng thép xây dựng làm điện trở

Nhược điểm:

- Chi phí điện năng cho điện trở lớn

- Độ thẩm mỹ không được đẹp, làm vật liệu sau khi sấy đổi màu

1.2.3 Phương pháp sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt

1.2.3.1 Khái quát về bơm nhiệt

Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới Song song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển của riêng mình Những thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi hàng loạt bơm nhiệt công suất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước châu Âu để sưởi ấm, đun nước nóng và điều hoà không khí

Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt (Heat pump) giống như máy lạnh nhưng mục đích sử dụng ngược lại với máy lạnh là dùng nhiệt thải ra ở dàn nóng để phục vụ cho một quá trình nhiệt nào đó như sấy, sản xuất nước nóng, sưởi ấm, cô đặc, chưng cất…

Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt

MNL

Chú thích

MN: máy nén; NT: thiết bị ngưng tụ; TL: van tiết lưu; BH: thiết bị bay hơi

N: công suất nén đoạn nhiệt của máy nén; Q0: năng suất lạnh hay nhiệt

được lấy từ môi trường

Qk: nhiệt lượng thải ra ở dàn ngưng tụ: QK = Q0 + N

Lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ để phục vụ cho một yêu cầu về công

nghệ như sưởi ấm, sấy, ổn nhiệt nào đó

2 Hệ số nhiệt của bơm nhiệt

Để đánh giá hiệu quả chuyển hóa năng lượng, dùng hệ số nóng (hệ số bơm

nhiệt) được biểu thị bằng biểu thức sau

1

=

= εϕ

l

l q l

q k

Trong đó:

ϕ : là hệ số bơm nhiệt

q0 : là năng suất lạnh riêng

qk : là năng suất nhiệt riêng thải ra ở dàn ngưng tụ

l : là công nén riêng đoạn nhiệt của máy nén

ε: là hệ số làm lạnh

Như vậy hệ số nhiệt của bơm nhiệt là đại lượng luôn lớn hơn 1 Do đó ứng dụng của bơm nhiệt bao giờ cũng có lợi về nhiệt Hệ số nhiệt của bơm nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng

Ứng dụng bơm nhiệt có lợi về nhiệt mà trong các hệ thống sấy lại rất cần có nguồn nhiệt do đó sử dụng nguồn nhiệt này vào sấy rất có lợi Nếu ta sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh vào sấy thì hiệu quả còn cao hơn, nguồn lạnh để tách ẩm không khí sau đó được đưa qua nguồn nóng để nâng nhiệt độ nên rồi đưa vào sấy hiệu quả sẽ

cao chất lượng màu sắc sản phẩm sẽ tốt hơn

Từ phương trình cân bằng nhiệt

N Q

Q k = o +

Hệ số bơm nhiệt:

1

k

Q N

Thực nghiệm cho thấy hệ số bơm nhiệt vào khoảng 2 ÷ 9.

Trong điều kiện ở Việt Nam hệ số này thường vào khoảng (4 8) ÷ như vậy khi sử dụng bơm nhiệt thì năng lượng tiêu tốn cho máy nén với công suất N (kwh),

ta thu được từ 4 đến 8N (kwh) lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ và lượng nhiệt này sẽ phục vụ cho các công nghệ chế biến thực phẩm, thủy sản nên khả năng tiết

kiệm năng lượng khi dùng bơm nhiệt là rất lớn

Nguồn nhiệt thu được Q0 có thể lấy từ không khí bên ngoài, sông, hồ, biển,

lòng đất… hay nhiệt của các sản phẩm cháy

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài tác giả nghiên cứu chế tạo thiết bị sấy đối lưu sử dụng lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ để sấy một số nguyên liệu

thủy sản như cá, tôm, mực bằng phương pháp sấy lạnh hoặc sấy nóng

1.2.3.2 Nguyên lí hoạt động

Bơm nhiệt là một thiết bị dùng để bơm một dòng nhiệt từ mức nhiệt độ thấp lên mức nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt Để duy trì bơm nhiệt hoạt động cần tiêu tốn một dòng năng lượng khác (điện hoặc nhiệt năng) Như vậy máy lạnh cũng là một loại bơm nhiệt và có chung một nguyên lý hoạt động Các thiết

bị của chúng là giống nhau Người ta chỉ phân biệt máy lạnh với bơm nhiệt ở mục đích

sử dụng mà thôi Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi còn bơm nhiệt gắn với việc sử dụng nguồn nhiệt ở thiết bị ngưng tụ Do yêu cầu sử dụng nguồn nhiệt nên bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt độ cao hơn

Cũng như máy lạnh, bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược với các quá trình chính như sau:

2 3

4

1 - 2: quá trình nén hơi môi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao

và nhiệt độ cao trong máy nén hơi Quá trình nén là đoạn nhiệt

2 - 3: quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt cho môi môi trường

3 - 4: quá trình tiết lưu đẳng entanpi (i3 = i4) của môi chất lỏng qua van tiết lưu từ áp suất cao xuống áp suất thấp

4 – 1: quá trình bay hơi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp, thu nhiệt của môi trường lạnh

Mục đích sử dụng chính của bơm nhiệt là lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ Năng suất nhiệt của bơm nhiệt chính là phương trình cân bằng nhiệt ở máy lạnh:

qk = qo + l hay: QK = Q0 + L Hiện nay, người ta chế tạo nhiều loại bơm nhiệt làm việc theo nhiều nguyên

lý khác nhau như bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt nén khí, bơm nhiệt nén hơi, bơm nhiệt nhiệt điện Nói chung, hiện nay tất cả các loại bơm nhiệt đều được sử dụng nhưng được sử dụng rộng rãi nhất vẫn là bơm nhiệt nén hơi

Ngoài bốn loại bơm nhiệt nói trên chúng còn được ghép lại với nhau nhằm đạt hiệu quả nhất định Ví dụ bơm nhiệt hấp thụ - nén hơi nhằm mục đích tăng nhiệt

độ ngưng tụ, qua đó tăng nhiệt độ chất tải nhiệt Nguyên lý hoạt động chủ yếu như máy

lạnh hấp thụ nhưng giữa bình sinh hơi và dàn ngưng người ta lắp thêm một máy nén hút hơi từ bình sinh hơi và nén vào dàn ngưng Áp suất ngưng tụ cao lên đưa nhiệt

độ ngưng tụ cao lên theo, và hệ số nhiệt của nó tăng lên đáng kể

1.2.3.3 Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt

 Máy nén lạnh

Máy nén chạy cho hệ thống bơm nhiệt giống như máy nén lạnh, nhưng yêu cầu chất lượng cao hơn vì phải làm việc trong môi trường nghiệt hơn do nhiệt độ sôi

và ngưng tụ của bơm nhiệt thường cao hơn máy nén lạnh trong hệ thống lạnh

Thông thường nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi là

55

40 0

C

t k = ÷

10

0 0C

t o = ÷

Do điều kiện làm việc trên nên có thể lấy máy nén lạnh sử dụng trong điều

hòa không khí để chạy cho hệ thống bơm nhiệt

Ngoài ra, dầu bôi trơn sủ dụng cho máy nén cũng đòi hỏi khắt khe hơn so với

máy nén lạnh trong hệ thống làm lạnh Do nhiệt độ cuối tầm nén của bơm nhiệt cao hơn

Một máy nén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải

 Các thiết bị trao đổi nhiệt

Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và ngưng

tụ Máy lạnh hấp thụ có thêm thiết bị sinh hơi và hấp thụ Giống như máy lạnh, thiết bị ngưng tụ và bay hơi của bơm nhiệt cũng bao gồm các dạng: ống chùm, ống lồng ngược dòng, ống đứng và ống kiểu tấm Các phương pháp tính toán cũng giống như chế độ điều hoà nhiệt độ Giống như trong máy lạnh nhưng do điều kiện nhiệt độ làm

việc cao hơn nên áp suất trong thiết bị lớn hơn Do vậy thiết bị yêu cầu phải dày

hơn Ta có thể sử dụng các thiết bị trong điều hòa không khí

 Thiết bị phụ của bơm nhiệt

Tất cả các thiết bị phụ của bơm nhiệt giống như thiết bị phụ của máy lạnh Xuất phát từ yêu cầu nhiệt độ cao hơn nên đòi hỏi về độ tin cậy, công nghệ gia công thiết bị cao hơn Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn và đệm kín các loại trong hệ thống

Do bơm nhiệt phải hoạt động ở chế độ áp suất và nhiệt độ gần sát với giới hạn tối đa nên các thiết bị tự động rất cần thiết và phải hoạt động với độ tin cậy cao

để phòng hư hỏng thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép

Đối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế độ làm việc khác máy lạnh nên cũng cần có van tiết lưu phù hợp

 Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt

Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hổ trợ cho bơm nhiệt phù hợp với từng phương án sử dụng của nó Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt gồm một số loại sau:

+ Các phương án động lực của máy nén như: động cơ điện, động cơ gas, động

cơ diesel hoặc động cơ gió…

+ Các phương án sử dụng nhiệt thu ở dàn ngưng tụ Nếu là sưởi ấm thì có thể sử dụng dàn ngưng trực tiếp hoặc gián tiếp qua một vòng tuần hoàn chất tải nhiệt, có thể sử dụng để sấy, nấu ăn, hút ẩm…Mỗi phương án đòi hỏi những thiết bị hổ trợ khác nhau

+ Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi Trường hợp sử dụng dàn lạnh đồng thời với nóng thì phía dàn bay hơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh Ngoài

ra còn có thể sử dụng dàn bay hơi đặt ngoài không khí, dàn bay hơi sử dụng nước giếng là môi trường cấp nhiệt Còn có những phương án như dàn bay hơi đặt ở dưới nước, đặt ở dưới đất hoặc sử dụng năng lượng mặt trời

+ Các thiết bị điều khiển, kiểm tra tự động sự hoạt động của bơm nhiệt và các thiết bị hổ trợ Đây là những thiết bị tự động điều khiển các thiết bị phụ trợ ngoài bơm nhiệt để phù hợp với hoạt động của bơm nhiệt

1.2.3.4 Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân

Như đã trình bày, bơm nhiệt có thể được ứng dụng trong tất cả các cơ sở có nhu cầu năng lượng ở khoảng nhiệt độ thấp từ 40 - 80 0C hoặc có thể cao đến 115 -

120 0C Nếu như nhu cầu về nóng lạnh tương đối ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt càng lớn

Khi sử dụng bơm nhiệt cần chú ý hiệu quả kinh tế của nó biểu hiện qua hệ

số bơm nhiệt φ Hệ số nhiệt của bơm nhiệt φ phụ thuộc rất nhiều vào hiệu nhiệt độ của dàn ngưng và dàn bay hơi Ngoài ra, muốn bơm nhiệt đạt hiệu quả cao thì nhu cầu về nóng lạnh phải liên tục và ổn định để thời gian hoàn vốn của thiết bị là thấp nhất

Một số ứng dụng của bơm nhiệt:

- Ứng dụng của bơm nhiệt trong công nghiệp sấy và hút ẩm

- Bơm nhiệt ứng dụng trong công nghiệp chưng cất, bay hơi, cô đặc

- Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

- Ứng dụng bơm nhiệt trong điều hòa không khí

1.2.3.5 Các phương pháp sấy bơm nhiệt

Phương pháp sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt có thể dùng phương pháp

sấy kín hoặc sấy hở

1.2.3.5.1 Phương pháp sấy kín bằng bơm nhiệt

Nguyên lý làm việc của phương pháp sấy kín bằng bơm nhiệt được thể hiện

trên hình 1.8 như sau:

Không khí đi qua giá đỡ nguyên liệu sấy (8) làm cho lượng ẩm chứa trong không khí ẩm tăng lên do ẩm từ nguyên liệu sấy bay hơi vào, sau đó đi qua dàn lạnh (2) và không khí ẩm được làm lạnh đến nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương làm cho ẩm chứa trong không khí ẩm ngưng tụ trên bề mặt dàn lạnh và chảy vào máng

hứng (10), lượng nước ngưng tụ trên chính là lượng ẩm thoát ra từ nguyên liệu sấy

Không khí sau khi qua dàn lạnh được tách ẩm và nhiệt độ hạ xuống rồi đi vào dàn nóng nhiệt độ được tăng lên nhưng hàm ẩm vẫn không đổi, sau đó được đi vào giá đỡ nguyên liệu và quá trình được lặp lại như trên Khi nhiệt độ trong phòng

sấy lớn, rờ le nhiệt độ sẽ tác động tới van điện từ (6) mở ra để thải bớt nhiệt qua dàn

ngưng phụ (7), để điều chỉnh nhiệt độ trong buồng sấy được ổn định

Phương pháp sấy kín như trên sản phẩm sau khi sấy không bị lây nhiễm vi

sinh vật từ bên ngoài vào

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phương pháp sấy kín bằng bơm nhiệt

(sấy lạnh)

Chú thích

1 Máy nén lạnh; 2 Dàn lạnh không khí ẩm

3 Dàn nóng; 4 Quạt gió

5 Van tiết lưu

6 Van điện từ; 7 Dàn ngưng phụ

8 Giá đỡ nguyên liệu sấy

9 Phòng sấy; 10 Ẩm ngưng tụ

Perera và Rahman [36] đã so sánh một số thông số của phương pháp sấy lạnh

(bơm nhiệt) so với các phương pháp sấy khác theo bảng 1.1 cho thấy:

Bảng 1.1 So sánh sấy lạnh với các hệ thống sấy khác

khí nóng Sấy chân không

Sấy lạnh (bằng bơm nhiệt)

Khoảng nhiệt độ làm

Hiệu quả năng lượng của sấy (SMER), được phản ảnh bằng giá trị (kgnước/kwh) của phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt có giá trị lớn nhất trong các phương pháp sấy là 1,0 đến 4.0, cũng như hiệu suất sấy cao và chi phí cho hoạt

động thấp đồng thời khoảng làm việc của độ ẩm và nhiệt độ lớn

Nhưng SMER (kgnước/kwh) của phương pháp sấy bằng không khí nóng chỉ

đạt 0,12 đến 1,28 và phương pháp sấy chân không chỉ đạt 0,72 đến 1,20

1.2.3.5.2 Phương pháp sấy hở bằng bơm nhiệt

Phương pháp sấy hở bằng bơm nhiệt có thể sấy lạnh hoặc sấy nóng,có thể từng hệ thống riêng,cũng có thể kết hợp cả 2 phương pháp trên một hệ thống Dưới

đây là một số phương pháp :

1 Phương pháp sấy nóng bằng bơm nhiệt

Sơ đồ của phương pháp sấy nóng được thể hiện trên hình 1.9

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phương pháp sấy nóng bằng bơm nhiệt

Chú thích

1 Máy nén lạnh; 2 Dàn lạnh

3 Dàn nóng; 4 Quạt dàn ngưng

5 Quạt dàn lạnh; 6 Không khí vào dàn nóng

7 Van nạp gase; 8 Van chặn gase;

9 Ống mao; 10 Phin lọc ẩm;

11 Buồng sấy

Trong thực tế một số trường hợp cần nhiệt độ sấy cao nên thiết bị sấy lắp thêm thiết bị gia nhiệt có thể dùng điện trở, sơ đồ làm việc và quá trình biến đổi

trạng thái của không khí ẩm trên đồ thị I- d được thể hiện trên hình 1.10

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý làm việc sấy nóng bằng bơm nhiệt kết hợp với điện trở

5

11

Chú thích

I: quạt gió; II: dàn nóng trong hệ thống bơm nhiệt;

III: dàn điện trở; IV: buồng sấy

Nguyên lý làm việc như sau:

Không khí ngoài trời đi qua phin lọc được hút vào quạt gió ở trạng thái A xác sau khi không khí được quạt I đưa vào dàn nóng II được gia nhiệt đốt nóng đẳng ẩm (d1=d0=const) theo quá trình AB đến trạng thái B nhiệt độ vào khoảng 40 đến 450C rồi đưa vào buồng sấy

Nếu cần sấy ở nhiệt độ cao hơn cao hơn thì sau khi qua dàn nóng ở trạng thái

B sẽ qua dàn điện trở IV và được gia nhiệt cho đến nhiệt độ phù hợp đến trạng thái

C thường vào khoảng 50 đến 600C rồi đưa vào buồng sấy

Về thiết bị sấy trên nguyên lý giống như phương pháp sấy đối lưu bằng không khí nóng Nhưng có ưu điểm là tiết kiệm được năng lượng Sản phẩm sấy

thường hay bị biến màu và chất lượng không cao

2 Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt

Sơ đồ của phương pháp sấy lạnh được thể hiện trên hình 1.11

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt